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一種針對耳機音響系統(tǒng)的人腦音頻變換函數(shù)(hrtf)的生成方法和設備的制作方法

文檔序號:7686613閱讀:180來源:國知局
專利名稱:一種針對耳機音響系統(tǒng)的人腦音頻變換函數(shù)(hrtf)的生成方法和設備的制作方法
技術領域
本發(fā)明涉及一種能夠將雙聲道音頻聲源擴展為針對耳機音響系統(tǒng)的 HRTF生成的方法和設備,尤其涉及能夠增強手持終端音效的方法和設備。
根據(jù)本發(fā)明實例,三維環(huán)繞音效技術提供了一種雙聲道音頻再建系統(tǒng), 只需提供一個人腦音頻變換函數(shù)(HRTF),就能夠改變這些重建虛擬聲源的 聽覺位置。針對耳機音響系統(tǒng)的HRTF生成技術的工作原理基于以下兩項發(fā) 現(xiàn)(1) HRTF可以用一個線性濾波器系統(tǒng)進行描述;(2)該線性系統(tǒng)由三 個參數(shù)決定聲源方位,聲源高度和音頻采樣率。本發(fā)明針對雙聲道耳機聲 音空間化的HRTF生成技術通過使用三維雙聲道耳機音頻系統(tǒng)模型來獲得更 高精確度的技術。
原則上講,本發(fā)明方法和設備所提供冊TF生成引擎可用于多種不同類 型的電子設備,如手機,PDA, MP3/MP4播放器等。
背景技術
本發(fā)明致力于尋求通過線性系統(tǒng)設計生成HRTF的有效方法,意在解決 計算復雜性和服TF設計及實施中的不夠精確的相關問題。
傳統(tǒng)方法將服TF作為由一對參數(shù)(聲源方位,聲源高度)決定的線性 濾波系統(tǒng)進行模擬。通過使用KEMAR仿真人腦測量。這種測量在全封閉環(huán)境中進行,其中,擴音器播放測試信號,從不同方向靠近頭部。測量結果為一
組FIR濾波器系數(shù),可用來處理雙聲道音頻信號來生成三維空間音頻。此模 型不能準確描述HRTF系統(tǒng),由于以下兩個原因(1)該模型不考慮音頻采 樣率;(2)該模型測量一些特殊的方向,但并沒有指出如何獲得一個針對上 述參數(shù)對(聲源方位,聲源高度)任意值的服TF濾波器的參數(shù)值。
更具體地說,空間環(huán)響要求一個延遲時間,這個參數(shù)由緩沖的采樣數(shù)進 行模擬。對于一個固定延遲時間,緩沖器大小應該根據(jù)采樣率改變。在由經 測量確定濾波器系數(shù)的過程中,不可能取對任意參數(shù)組(聲源方位,聲源高 度,采樣率)的值進行測量。顯然該參數(shù)組的所有可能值都可以在現(xiàn)實世界 中出現(xiàn)。因此,需要從已測定的濾波器系數(shù)來確定所有可能的濾波器系數(shù)。
若一種服TF生成方法或設備是實用的,它應該具備(l)簡單因為該 方法要用于消費電子設備上,如手機、PDA等;(2)準確因為該方法必須 要逼真地重建真實的人腦聽覺系統(tǒng)。本發(fā)明實例可以達到上述兩個目標。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一目標是提供一種針對雙聲道耳機能模擬人腦聽覺系統(tǒng)的 HRTF建立方法和設備。
本發(fā)明的第二目標是提供一種適用于任何消費電子設備,如手機、PDA 等,并且能針對雙聲道耳機有效重建空間環(huán)響音效的服TF建立方法和設備。
本發(fā)明的第三目標是在不需要大量系統(tǒng)資源的條件下,包括CPU和存儲 器,能夠針對雙聲道耳機提供一種準確的空間環(huán)繞音效環(huán)境的HRTF建立方 法和設備。根據(jù)本發(fā)明實例原則,通過提供HRTF建立引擎,以其最寬的涵蓋形式, 基于已發(fā)現(xiàn)的人腦聽覺系統(tǒng)的事實,來確定HRTF濾波器系數(shù),以實現(xiàn)上述 目標。
本發(fā)明實例對來自給定方向的平面波使用線性濾波器。為了更好地測量 濾波屬性,進行了大量試驗以獲得精確數(shù)據(jù)。線性濾波器的脈沖響應通過不 同的聲音方向和聲音采樣率來決定。
本發(fā)明針對雙聲道耳機的服TF生成技術能高度準確地模擬三維環(huán)繞環(huán) 境是因為,本方法在建立人腦聽覺系統(tǒng)主觀感知的模型時,考慮到了以下三 個因素(1) HRTF能通過一個線性濾波器系統(tǒng)進行描述;(2)該線性系統(tǒng) 由參數(shù)組決定聲源方位,聲源高度和音頻采樣率;(3)針對該參數(shù)組任何 取值的HRTF濾波器能通過插值與抽取技術從現(xiàn)有的HRTF濾波器獲得。
由于本發(fā)明應用PCM音頻信號,故可對任何音頻和語音編解碼標準進 行后處理,以提供三維環(huán)繞音效。


圖l HRTF所描述的人腦聽覺系統(tǒng)模糊椎體示意圖; 圖2本發(fā)明服TF濾波器生成的流程圖。
具體實施例方式
如圖2所示,本發(fā)明是通過HRTF建立引擎實現(xiàn)的,適用于任何消費電 子設備。HRTF引擎200由對參數(shù)組(聲源方位,聲源高度,采樣率)特定 取值點測量所得m^TF濾波器數(shù)據(jù)庫210,指定音頻采樣率插值器220,指定 聲源方位插值器230,以及指定聲源高度插值器240組成。音頻采樣率插值器220在服TF濾波器數(shù)據(jù)庫210中選擇與指定參數(shù)組(聲源方位,聲源高 度,采樣率)取值最接近的四組HRTF濾波器,并使用插值和抽取技術生成 與指定采樣率相同的四組ffi^TF濾波器;聲源方位插值器230使用220的輸 出使用插值技術生成與指定聲源方位相同的兩組HRTF濾波器;最后,聲源 高度插值器240使用230的輸出使用插值技術生成與指定聲源高度相同的一 組服TF濾波器。不同于傳統(tǒng)的服TF生成技術,本發(fā)明可對參數(shù)組(聲源方 位,聲源高度,采樣率)的任意取值生成其所對應的HRTF濾波器,且所生 成的冊TF濾波器能更好地反映了人腦聽覺系統(tǒng)的主觀感受。
為了了解本發(fā)明HRTF生成技術,有必要先了解一些基于服TF的三維耳 機環(huán)繞音效的一些基本原理,即如何對雙聲道信號的兩個輸入音頻流實施處 理。當多個聲源在傳播相關的或部分相關的信號時,有差異的、有時甚至是 互相干擾的聲源就會混疊,尤其是當聽者聽到的不同聲源信號僅有微小振幅 差異和微小時間差異時。這種情況下,不同的聲源會合成為一個單音,這個 單音的位置與源聲源的實際位置會有很大不同。當傳入的聲源差異較大時, 虛擬的聲源鏡像會混入其中的一個真實聲源中,心理聲學試驗顯示,當受到 簡單正弦波的刺激,聽覺系統(tǒng)會使用兩個聲源參數(shù)來估算聲源的方向。艮P: 耳間強度和時間差異(IID和ITD)共同作用來達到該目的。然而,IID和 ITD只能部分地解釋區(qū)別不同空間方向的能力。實際上,如果聲源沿環(huán)形橫 向運動,如圖3所示,IID和ITD就不會改變。由頭中部環(huán)形組成的椎體被 稱為"模糊錐體"。模糊椎體內橫向及縱向的區(qū)別可用頭相關傳遞函數(shù)(HRTF) 來描述。HRTF實際是自給定方向平面波的線性濾波器。該濾波器的幅度和 相位響應是很復雜的,并由聲源的方向和高度決定。由簡化的服TF模型來描述相關的不同方向的聲源是可能的。即使這些
聲源被簡化了,當它們動態(tài)地改變時,它們可以提供很強的定位效果。在現(xiàn) 實生活中,聽者在聽到一個聲源時從來不會是靜態(tài)的。甚至是很小的頭部動 作也可以對區(qū)別可能的模糊聲源提供很大的幫助,例如位于聽者不能確定聲
源在其正前方或正后方。因此,幾個虛擬聲源參數(shù),如ITD, IID及HRTFs 足以提供一個很強的方向效果,只要這些聲源與聽者的頭部動作有關。服TF 是針對雙聲道耳機建立三維環(huán)響音效的重要模型。
傳統(tǒng)的服TF建立技術只為(聲源方位,聲源高度,音頻采樣率)參數(shù) 組一些特殊的值提供HRTF濾波器系數(shù)。在現(xiàn)實生活中,聲音可以來自任意 方向,以任意速度和任意采樣率。因此,傳統(tǒng)的HRTF建立技術不能提供一 個精確的模型來建立聲音環(huán)響音效。
好的HRTF建立技術應該準確有效地反映人體聽覺系統(tǒng)的"模糊椎體"。 本發(fā)明HRTF生成技術通過下列步驟來實現(xiàn)設計目標(1)通過一些特定參 數(shù)組值(聲源方位,聲源高度和音頻采樣率)獲得一組HRTF濾波器;(2) 針對步驟1中未指定的所有參數(shù)組值插補HRTF濾波器系數(shù)。
業(yè)內人士應該可以看出,發(fā)明HRTF生成技術的首要目的是有效建立一 個線性濾波系統(tǒng),基于位置參數(shù)組(聲源方位,聲源高度)決定的當前聲音 位置。由于整個方法的設計都基于人體聽覺系統(tǒng)的主觀感覺以及人體聽覺系 統(tǒng)的精確建模,故本發(fā)明HRTF生成技術能夠針對雙聲道耳機系統(tǒng)生動再建 真實的三維環(huán)繞音效場景。
由于本發(fā)明的服TF生成實例不需要專門的硬件支持,只通過軟件即可 實現(xiàn)其功能,但不排除專門的硬件實現(xiàn)方式,因此該技術可容易地應用于任何類型的消費電子產品上,如手機,PDA等。此外,本發(fā)明可用于任何音頻 和語音編解碼系統(tǒng),如AAC, AAC+, MP3, WMA, RA, AMR等。
前面已經十分詳細地描述了本發(fā)明所提請的技術,使業(yè)內人士能夠了解 和使用本發(fā)明,但是,還要提請注意的是,在不偏離本發(fā)明實質的前提下, 還可以對所提請的技術發(fā)明進行變更和改進,并且本發(fā)明不受以上說明或附 圖的限制,而是按照所附權利要求來予以限定。
權利要求
1. 針對雙聲道耳機音響系統(tǒng)的人腦音頻變換函數(shù)HRTF生成方法包括以下步驟a. 根據(jù)位置參數(shù)組(聲源方位,聲源高度)和聲音采樣率測量并收集一系列HRTF濾波器系數(shù);b. 針對步驟a中不存在的位置參數(shù)組(聲源方位,聲源高度)的任意值,使用線性插值技術,從步驟a中指定的現(xiàn)有濾波器獲得該位置參數(shù)組濾波器系數(shù);c. 針對步驟a中不存在的音頻采樣率參數(shù)的任意值,使用插值和抽取技術,從步驟a中指定的現(xiàn)有濾波器獲得該采樣率參數(shù)的濾波器系數(shù)。
2. 如權利要求1所述的方法,其中步驟b執(zhí)行線性插值,分為兩個步驟(1)對一個參數(shù)應用線性插值;(2)然后對步驟(1)的輸出對另一個參數(shù)應用線性插值。
3. 如權利要求1所述的方法,其中步驟c執(zhí)行插值和抽取技術,分為兩個步驟(1)針對(聲源方位,聲源高度)參數(shù)組值最相近的四組己有濾波器系數(shù)的現(xiàn)有聲音采樣率參數(shù)值應用插值或抽取技術,獲得有相同的采樣率的上述四種濾波器;(2)然后對步驟(1)的輸出應用線性插值,獲得(聲源方位,聲源高度,音頻采樣率)參數(shù)組指定值的濾波系數(shù)。
4. 針對雙聲道耳機音響系統(tǒng)的人腦音頻變換函數(shù)HRTF生成裝置包括以下單元a.根據(jù)(聲源方位,聲源高度)位置參數(shù)組和聲音采樣率,測量并收集一系列HRTF濾波器系數(shù);b. 針對單元a中不存在的位置參數(shù)組(聲源方位,聲源高度)的任意值,使用線性插值技術,從步驟a中指定的現(xiàn)有濾波器獲得該位置參數(shù)組濾波器系數(shù);c. 針對單元a中不存在的音頻采樣率參數(shù)的任意值,使用插值和抽取技術,從單元a中指定的現(xiàn)有濾波器獲得該采樣率參數(shù)的濾波器系數(shù)。
5. 如權利要求4所述設備,單元b執(zhí)行線性插值,分兩個單元(1)對一個參數(shù)應用線性插值;(2)然后對單元(1)的輸出對另一個參數(shù)應用線性插值。
6. 如權利要求4所述設備,其中單元c執(zhí)行插值和抽取技術,分為兩個單元(1)針對(聲源方位,聲源高度)參數(shù)組值最相近的四組已有濾波器系數(shù)的現(xiàn)有聲音采樣率參數(shù)值應用插值或抽取技術,獲得有相同的采樣率的上述四種濾波器;(2)然后對單元(1)的輸出應用線性插值,獲得(聲源方位,聲源高度,音頻采樣率)參數(shù)組指定值的濾波系數(shù)。
全文摘要
一種針對耳機音響系統(tǒng)的人腦音頻變換函數(shù)(HRTF)的生成方法和設備,能夠使雙聲道的音頻信號擴展為多聲道三維環(huán)繞的音頻信號。本發(fā)明HRTF生成技術依據(jù)人體聽覺的主觀感知原理建立了一個新模型。虛擬聲音位置主要通過“模糊椎體”進行反映,“模糊椎體”由頭中部環(huán)形組成,可以用HRTF(Head-Related Transfer Function,人腦音頻變換函數(shù))進行描述。本發(fā)明實例通過對參數(shù)組(聲源方位,聲源高度和音頻采樣率)在不連續(xù)域測量一組濾波器系數(shù),并使用線性插值技術從現(xiàn)有濾波器獲得任意參數(shù)組的濾波器系數(shù)。本發(fā)明所設計的針對雙聲道耳機音頻系統(tǒng)的HRTF生成技術既便于實施又能高效重建雙聲道音響的三維環(huán)繞效果。
文檔編號H04R5/033GK101483797SQ20081005568
公開日2009年7月15日 申請日期2008年1月7日 優(yōu)先權日2008年1月7日
發(fā)明者佳 嚴, 洪浩洋, 高成偉 申請人:昊迪移通(北京)技術有限公司;高成偉
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